疫情封城，能讓空氣變好嗎？

圖源：Pixabay

編者按

疫情帶來的封鎖措施讓一些大城市空氣汙染物數量驟降。已有研究表明，長達數年的空氣品質改善將帶來更多日照，並改變大氣環流模式。但短期的汙染物下降會改變天氣和氣候嗎？

根據現有材料，答案是肯定的，但改變因地而異。特定汙染物下降可能帶來更多的雲，可能減輕也可能加重霧霾——這源於大氣中環環相扣的次生反應。

本文討論大氣中化學反應的複雜性。利用疫情封鎖這個罕見時機，多項研究發現空氣汙染物減少的結果往往出人意料。

撰文丨凱特·拉維利烏斯（Kate Ravillious）

翻譯丨Hills

校譯丨張 晗

責編丨戴 威

新冠肺炎（COVID-19）改變了世界。這場大流行給地球每個角落帶來了痛苦和劫難。但是這場前所未有的停擺也給一些科學家帶來了從前無法想像的機會。實施封鎖各國的空氣汙染急劇下降，為科學家們提供了一個獨特的自然實驗條件，用來探索長久以來圍繞著雲形成過程的重重謎團。如此一來，他們對空氣汙染、氣象和氣候之間複雜的相互作用有了更深的了解。

2020年1月23日，嚴格的封鎖措施在最早確診 COVID-19 病例的武漢最先開始實施。封鎖迅速波及全國各地，以阻止疫情的蔓延。隨著公共運輸停運，學校、大學和工作場所關閉，人們被限制在家中，街道不再喧鬧，空氣汙染驟減。

據衛星數據顯示，中國東部地區的二氧化氮含量下降了70％，包括武漢在內的一些地方降幅高達93％。隨著病毒席捲全球，其他國家實行各自的封鎖措施，大氣也做出了響應：新德裡的藍天代替了霧霾，在印度北部部分地區，喜馬拉雅山脈30年來第一次變得清晰可見；在雅加達、洛杉磯、巴黎等地，城市天際線也顯得格外醒目。

然而，更乾淨的空氣並不總會帶來藍天。一點點鹽或糖就能讓蛋糕的味道截然不同，同樣，大氣組分的細微變化也能引發一系列有趣的大氣效應：新的化學物質的合成，雲層的形成或分解，還有地表天氣的潛在變化。但是在變化多端的自然氣候背景下，理清這些過程可謂困難重重。

遏制全球變暖

「顆粒物汙染減少對天氣最直接的影響是加熱地表的陽光增加，因為被高層大氣吸收或反射回太空的陽光變少了。」 英國雷丁大學的氣候科學家理察·艾倫（Richard Allan）說。今年早些時候，艾倫和他的同事們發現，近幾十年來，空氣品質的變化顯著增加了抵達地球表面的日光量（Nature Geoscience 13 110）。他們分析了過去40年的太陽輻射測量結果後發現，整個1980年代，歐洲骯髒的天空遮擋了陽光，使地面的光線愈發昏暗。但從1980年代末開始實施的空氣汙染法規使得整個歐洲明顯地晴朗起來。中國走過了相似的路徑，但直到2005年左右，才迎來了大氣的淨化和隨之而來的更明朗的天空。

乾淨的天空還會影響大氣環流模式和極端天氣。去年2月，美國加州理工學院的氣候科學家王元及同事證明，自1970年代以來，歐洲各地空氣汙染的減少改變了高空氣流的強度和位置，使噴射氣流在冬季北移（ Nature Climate Change 10 225）。這一改變降低了歐亞大陸北部發生極寒事件的可能性。

那麼在更短的時段內呢？從 COVID-19 封鎖導致的空氣汙染急劇下降中，我們可以知道些什麼？ 「COVID-19帶來的大規模汙染減少將改變全球的積熱狀況，尤其在南亞、歐洲和北美，並且有可能影響天氣系統。」 艾倫說， 「但是將這種影響與混亂的天氣自然波動區分開來或許並不可能。」

更潔淨的空氣帶來更多的雲

韓國釜山的基礎科學研究所（IBS）氣候物理中心的氣候科學家阿克塞爾·蒂默曼（Axel Timmermann）贊同，在大多數地方，這種影響的信號都會淹沒在幹擾中。然而，在2月初，他意識到中國東部地區封鎖造成的空氣汙染的大幅下降，可能足以引發超出幹擾水平的變化，從那時起，他和團隊就一直在竭盡全力弄清其中原委。

「我們看到中國東部人類活動產生的氣溶膠大幅下降，就天真地認為，更少的雲凝結核將導致更少的雲。」 蒂默曼說。但是他的團隊遇到了有趣的意外。

為了把封城的影響和自然的氣候變化區分開來，蒂默曼和他的團隊使用由美國國家大氣研究中心（US National Center for Atmospheric Research）開發的模型在超級計算機上進行了40次模擬。這一模型被稱為公共地球系統模型（The Community Earth System Model），是一種耦合的全球氣候模型。「耦合」 意味著它將海洋與大氣聯繫起來，可以模擬地球過去、現在和將來的氣候狀態。40次模擬均從與2020年1月期間觀測值相似的大氣和海洋狀態開始，並對接下來的12個月進行建模，其中一半模擬了預期中平常年份的氣候狀況，另一半模擬了新冠疫情封鎖狀態下的氣候狀況。為了反映這兩種情況，有20次模擬使用了最近幾年中2月份（但不包括2020年2月）的平均空氣汙染水平，而其他20次模擬則採用了降低了65％的2月份氣溶膠排放量，以模擬封城的影響。

圖1 一個月產生的變化。1月23日武漢封城後周邊地區也迅速跟進，主要源自工業和交通排放的空氣中的二氧化氮（NO2）在中國直線下降。特別是在中國東部，該數值下降了70％。圖源：NASA

「用減少的氣溶膠所進行的模擬顯示，該地區的低雲覆蓋率和相對溼度大幅增加，這讓我們大為驚訝。」 蒂默曼說。這一研究結果目前正在審稿中（EarthArXiv 10.31223 / osf.io / z5dm8）。封城的模擬與地面上的實際情況非常匹配，低雲覆蓋確實有了顯著增加。

蒂默曼說：「關於氣溶膠如何影響雲量，我們還有很多未知的地方，所以這一結果確實令人興奮。」 模擬結果表明，氣溶膠數量的減少導致了雲凝結核的減少。但是，這讓剩下的雲凝結核能夠富集更多的水分，形成更大的液滴，更加不易蒸發，從而幫助低雲持續地存在更長時間。當時的日期和普遍的天氣狀況也會起到一定作用，蒂默曼很快指出，在其他時間和其他天氣狀況下的封鎖可能會產生截然不同的結果。

當然，很難說2020年2月中國東部和北部的低雲就是由於空氣品質的改善而產生的，一些科學家對於過度解讀蒂默曼的研究結果持謹慎態度。「這是一項有趣的研究，但我們必須小心，因為異常氣象也可能由於排放量變化以外的其他原因。」 同在雷丁大學的氣候科學家尼古拉·貝盧因（Nicolas Bellouin）說，他並未參與艾倫的此項研究。

實際上，王元及同事6月發表的另一項研究表明，在中國東部和北部上空的某些區域，可能存在著更為複雜的相互作用（Science 10.1126 / science. abb7431）。該團隊利用今年1月23日至2月13日—— 中國執行最嚴格封城令期間，收集的中國東部的空氣汙染數據進行了大氣化學和氣象學模擬。「直覺上，我們預計二氧化氮和二氧化硫的減少會導致氣溶膠減少，從而減少霧霾。」 王元說。

上海、武漢和廣州等特大城市的觀察結果似乎支持了這一觀點。但是令王元和他的同事們驚訝的是，他們研究的北部地區卻正好相反：北京和周邊地區出現了令人窒息的嚴重霧霾。僅在北京，細微粉塵顆粒（直徑小於2.5μm的顆粒物，簡稱PM2.5）的濃度高達200μg/m3 ，比一年中此時的正常水平高了近20％，並且遠高於世界衛生組織建議的日均標準25μg/m3。

王元和他的同事們在對化學和氣象狀態建模時，發現封城期間工業和交通排放的減少實際上並沒有減輕北京及其周邊地區的空氣汙染。在這種情況下，高溼度和氮氧化物的減少實際上促進了二次化學反應生成的另一種汙染物地表臭氧的形成。這是因為，在一般情況下，氮氧化物會與臭氧發生反應並將其分解為二氧化氮和氧氣，從而有助於抑制臭氧水平。但是，由於周圍的氮氧化物減少，地表臭氧的留存時間比平時更長，導致臭氧濃度增加。例如，武漢的臭氧濃度就增加了三分之一以上（Science of The Total Environment 735 139542）。（在工業化程度較低的地區，這種影響會減弱，因為氮氧化物的下降並不顯著。）進一步加快這些二次反應速率的是揮發性有機物（VOCs），這些化合物持續不斷地從石化設施和煉油廠排放出來。「這些二次反應之前已經被研究過，但是新成果表明，這些反應比我們以前認為的更為高效。」 王元說， 「我們認為蒂默曼和他的同事們提出的雲的形成機制是一個合理的反饋過程，但在當前情況下，我們認為那不是造成地面霧霾的主要因素。」

近年來，像北京這樣的城市一直在實施短期排放控制措施，例如隔日限行規定和關停工廠，以防止嚴重霧霾的形成。在2008年夏季奧運會和2014年11月亞太經濟合作組織（APEC）會議期間，這些措施似乎起了作用。但是這項新研究表明，北京的這些成功控制空氣品質的經驗可能更應該歸功於當時的天氣狀況。「這兩次的近地表的溼度都不像今年封城期間這麼高。」 王元說。

圖2 歐洲和亞洲氣溶膠排放量的下降。相對於2016-2019年基準期間，封城期間人為氣溶膠排放模式的比例變化。西歐和印度的空氣汙染下降幅度遠低於中國東部的70％下降幅度。圖源：Axel Timmermann

封鎖改變了印度的季風嗎？

那麼世界其他地方呢？隨著歐洲、美國、印度、澳大利亞和南美進入封鎖狀態，在空氣汙染猛降的同時還發生了什麼？儘管媒體誇大其詞，但世界其他地區的空氣汙染下降幅度卻遠沒有中國東部那麼大。比如，衛星測量結果顯示，西歐和美國的二氧化氮水平並非和中國那樣下降了70％，而是比2019年同期下降了20-38％。下降幅度雖然也不小，但大概不足以對天氣或氣候產生可測量的影響。

不過，這並不意味著這些變化沒有研究價值。3月底，印度進入了嚴格的封鎖狀態，基本服務以外的一切都關停了，13億人被要求待在家裡21天。隨著工廠關閉和動物佔領街道，一些地區的空氣汙染大幅下降，如果下降的持續時間足夠長，就可能會影響氣候。雷丁大學的氣候科學家蘿拉·威爾克斯（Laura Wilcox）和同事（不包括艾倫和貝盧因 ）的一項正在審稿階段的研究（Atmos. Chem. Phys. Discuss. 10.5194/acp-2019-1188，審稿中）表明，亞洲空氣汙染多年以來的持續減少會導致更強烈的熱帶季風降雨。這是因為印度上空的霧霾越稀薄，反射回太空的熱量就越少。這會導致陸地溫度升高，增大海洋和陸地之間的溫差，驅動水循環變得更快、更強烈。

封鎖帶來的空氣汙染下降，本身可能稍縱即逝，但仍有很小的可能影響該國氣候。「我一直在密切關注印度。」 威爾克斯說，「我們通常會在6月看到夏季季風來臨，並一般在此之前會觀測到高溫和氣溶膠水平升高。」 一般認為，2020年印度北部的空氣汙染下降可能有助於產生更強烈的季風。威爾克斯和她的同事們正忙著收集和分析測量結果，和前幾年的結果進行比較以確定情況是否如此。初步結果表明，今年的季風弱於平均水平，但有一些異常強烈的對流事件，帶來了7月的大暴雨，使得印度東北部、孟加拉國、不丹、緬甸和尼泊爾遭受嚴重洪災，造成數百人死亡，多達400萬人被迫離開家園。但是，強降雨到底是與空氣汙染的下降有關，還僅僅是今年氣候的偶然異常，要弄清楚這一點尚需時日。

減少空氣汙染並非易事

除了研究空氣汙染對氣候的影響，大氣化學家一直在利用封鎖的機會進一步研究空氣汙染的來源和汙染的擴散距離。在歐洲，封鎖後的空氣汙染模式與在中國觀測到的情況相似，二氧化氮含量顯著下降，但顆粒物汙染的減少小得令人失望（甚至有所增加）。「對於PM2.5（細微顆粒汙染）我們有了相當的了解，加強了它們大都是自然中的次生產物的認識，僅僅減少交通量對顆粒物沒有太大影響。」 英國國家大氣科學中心的大氣化學家阿拉斯泰爾·劉易斯（Alastair Lewis）說。「我們的設想是，次生顆粒物的主要來源，如農業產生的氨和溶劑生成的揮發性有機化合物，都會和往常一樣大量排放。」 他補充道。

COVID-19 大流行封城帶來的變化告訴我們，地球大氣中發生的反應非常複雜，而且氣象狀態是與大氣化學緊密聯繫的。顯然，減少空氣汙染會帶來意想不到的負面影響，包括天氣模式的變化和次生汙染物的激增。對於希望控制局部空氣汙染、避免危險峰值出現的城市而言，封鎖期間的發現表明，權宜之計並非總能奏效。相反，解決城市空氣汙染的最佳方法是減少所有來源的汙染，但是即使這種看似無害的辦法也可能會有自己的問題（Environ. Res. Lett.15 034013）。

儘管如此，無法控制空氣汙染的代價要高得多。「繼續以當前的速度向大氣中排放溫室氣體，會讓溫度上升的幅度更大，持續時間更久。」艾倫解釋說， 「這一點，再加上全球水循環的變化，會對我們的社會和我們賴以生存的生態系統造成嚴重影響。」

作者簡介

凱特·拉維利烏斯（Kate Ravillious）是英國約克的科學作家。

原文連結

https://physicsworld.com/a/has-the-covid-19-lockdown-changed-earths-climate/

▲ 本文為Physics World 專欄的第38篇。

2020年9月的Physics World ，有新鮮出爐的中國簡報（Physics World China Briefing），裡面有最新的研究報告，在疫情後重返實驗室的感受，以及科學會議如何變得虛擬的趨勢分析。歡迎讀者朋友們關注。

相關連結：

https://prod-physicsworld-iop.content.pugpig.com/blog/2020/08/11/china-a-country-reopens-after-covid-19/pugpig_index.html

版權聲明

原文標題「 Has the COVID-19 lockdown changed Earth’s climate」，首發於2020年9月出版的 Physics World，英國物理學會出版社授權《知識分子》翻譯。本譯文有刪節，中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。未經授權的翻譯是侵權行為，版權方將保留追究法律責任的權利。

登陸 Physics World，關注日常全球科學新聞、熱點報導和評論。Physics World 幫助學界與產業界的研究人員走在世界重大科研突破與跨學科研究的前沿。